超深攪拌樁在深層承壓水隔斷工程中的應用

趙慎中，楊 春，宋 珪

(江西省地質(zhì)工程〈集團〉公司，江西 南昌 330029)

超深攪拌樁在深層承壓水隔斷工程中的應用

趙慎中，楊 春，宋 珪

(江西省地質(zhì)工程〈集團〉公司，江西 南昌 330029)

隨著基坑的開挖，當基坑的土壓力減小到一定程度時，承壓水的水頭壓力將大于基坑底土體浮重力，形成管涌、側(cè)涌等現(xiàn)象，造成地基土上浮開裂。針對深層承壓水的隔斷技術措施，結(jié)合上海三至喜來登酒店基坑工程的特點，分析討論了超深攪拌樁在隔斷深層承壓水的應用效果，對于今后類似工程的建設具有一定的參考和指導作用。

基坑;超深攪拌樁;深層承壓水;抽水試驗

根據(jù)鐵路及軌道交通工程地基處理經(jīng)驗，深層攪拌樁深度一般不超過15～18 m。上海三至喜來登酒店基坑工程西北臨正在使用的地鐵四號線，北臨海倫路，圍護地墻與其通道外墻最近間距僅10 m，東臨四平路及將要施工的地鐵十號線，因此基坑深層承壓水的處理顯得尤為重要。本工程設計采用48 m超深攪拌樁來隔斷深層承壓水，將承壓水對周圍建筑的影響降至最低。

1 工程概況

1.1 基坑概況

擬建三至喜來登酒店由一幢36層超高層建筑和4層裙房組成，其中36層超高層建筑為框架核心筒結(jié)構(gòu)。地面以下均為 3層地下室，埋深約為14.65 m。本工程基坑大致成方型，占地面積約為6500 m2，南北向最寬處約80 m，東西向最寬處約92 m?；娱_挖深度約為14.65 m，基坑保護等級為一級。本工程整個基坑分成大小兩個基坑進行分期開挖施工，先開挖遠離4號線的大基坑(A區(qū))，待其地下結(jié)構(gòu)出正負零后再開挖另一個小基坑(B區(qū))。

1.2 場地地質(zhì)條件

圖1 典型地質(zhì)剖面圖

1.2.1 工程地質(zhì)條件

通過勘察，自地表至110.0 m深度范圍內(nèi)所揭露的土層，由粘性土、粉性土和砂土組成，具有成層分布的特點。根據(jù)現(xiàn)場對土的鑒別、原位測試及室內(nèi)土工試驗成果綜合分析，本場地的土層可分8層，其中第②、⑤、⑧、⑨層又根據(jù)土性變化分為若干亞層。典型地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

1.2.2 水文地質(zhì)條件

擬建場區(qū)地下水根據(jù)埋藏條件可劃分為淺層潛水、微承壓水及承壓水。潛水一般為地表下0.3～1.5 m。鉆探期間淺層地下水初見水位埋深0.9～2.85 m，穩(wěn)定水位埋深0.85～1.0 m。本場地賦存于第⑤2層砂質(zhì)粉土中的地下水為承壓水?？辈炱陂g對承壓水進行了承壓水水頭觀測，觀測結(jié)果見表1。

表1 承壓水頭觀測結(jié)果

根據(jù)上海工程建設規(guī)范《巖土工程勘察規(guī)范》(DGJ 08－37－2002)第11.1.1條(微)承壓水水位年呈周期性變化，埋深在3.0～11.0 m。

2 超深三軸攪拌樁止水帷幕施工工藝

2.1 施工設備

采用高度27 m DH658型履帶式樁機，懸掛MAC－240－3Bφ850三軸攪拌機具。主要設備還包括BW－200型壓漿泵、EX－200型挖掘機、12 m3空氣壓縮機及自動拌漿系統(tǒng)1套。

2.2 工藝流程［1］

清除地表障礙物→開挖溝槽→布置拆接鉆桿平臺→樁機就位→拌制水泥漿→噴漿、噴氣下沉攪拌噴漿→(不噴氣)提升攪拌→攪拌結(jié)束，移至下一樁位施工。

2.3 鉆桿加接工藝

本工程攪拌樁掘進深度為48 m，工程配置的攪拌機具總長度(未計算掘進機構(gòu))52.0 m，最大攪拌深度49.5 m，該攪拌機具可按照高低兩種轉(zhuǎn)速進行攪拌施工。樁機開始施工時懸掛鉆桿長度為21.7 m，共需加桿2次，加桿長度分別為15.9 m和18.0 m。

鉆桿加接的工藝流程為［2］:①施工預埋孔，放入預埋鉆桿→②進行水泥土攪拌樁施工→③攪拌下沉鉆桿，到第一組鉆桿結(jié)束→④拆下鉆桿接頭，移動樁機到預埋鉆桿位置→⑤連接預埋鉆桿，提升預埋鉆桿→⑥移動樁機，回到原樁位將預埋鉆桿和第一組鉆桿連接起來→⑦繼續(xù)攪拌下沉，重復步驟③、④、⑤、⑥直至到達設計樁深。

2.4 施工質(zhì)量保證措施

(1)孔位放樣誤差＜10 mm，樁身垂直度按設計要求控制在1/200以內(nèi)，相鄰樁施工間隔時間≯10 h。

(2)嚴格控制漿液配比，做到掛牌施工，并配有專職人員負責管理漿液配置。嚴格控制鉆進提升及下沉速度。

(3)施工前對攪拌樁機進行維護保養(yǎng)，盡量減少施工過程中由于設備故障而造成的質(zhì)量問題。設備由專人負責操作，上崗前必須檢查設備的性能，確保設備運轉(zhuǎn)正常。查看樁架垂直度指示針調(diào)整樁架垂直度，并用線錘進行校核。

(4)鉆頭提升速度0.5 m/min，施工時提升必須使用一擋，嚴禁三擋提升，攪拌機噴漿提升的速度和次數(shù)必須符合施工工藝的要求，并應有專人記錄。

(5)水泥摻量15%，水灰比0.45～0.5，按照水泥密度、水灰比來控制水泥漿的密度，應大于1.7 g/cm3。水泥漿中水泥用量為270 kg/m3。根據(jù)攪拌桶的容積嚴格控制水泥加量，不得隨意改變水泥用量。

(6)施工時深度必須嚴格控制，嚴禁減少深度，每根樁必須有鉆頭各次下鉆深度及提升高度的全過程記錄。

(7)場地布置綜合考慮各方面因素，避免設備多次搬遷、移位，盡量保證施工的連續(xù)性。

(8)對于施工工期較緊的施工部分，必要時摻入外加劑(膨潤土)。

(9)嚴禁使用過期水泥、受潮水泥，對每批水泥進行復試合格后方可使用。

(10)嚴格控制水泥漿的水灰比，水灰比過大會導致水泥攪拌土強度下降。

(11)如鉆進過程中出現(xiàn)停鉆、機械故障，立即停止注漿泵施工，以免注漿壓力過大造成對周邊環(huán)境影響。

(12)對于樁身下部25～48/52 m進行復攪，復攪速度為1.5 m/min。

(13)對接桿過程中，嚴格控制埋桿的垂直度，以確保總成樁的垂直度。

3 群井抽水試驗

3.1 試驗內(nèi)容

依據(jù)本場地的工程地質(zhì)條件、含水層的埋藏條件與分布特征，以及場地現(xiàn)場條件，為了解基坑內(nèi)降水對基坑外水位的影響，在攪拌樁施工完成28 d后，擬進行水文地質(zhì)抽水試驗，對第⑤2層(砂質(zhì)粉土)的水力滲透性質(zhì)進行全面的分析研究。本次共進行了1組群井抽水試驗。主要內(nèi)容如下:

(1)K1～K3作為抽水井，抽汲⑤2層中的微承壓水。

(2)抽水試驗過程中，分別觀測J1～J3和K4井及坑外監(jiān)測孔中的地下水位變化。

(3)群井抽水試驗結(jié)束后，進行水位恢復試驗，觀測水位恢復情況。

試驗井平面布置如圖2所示。

圖2 試驗井平面布置圖

3.2 試驗數(shù)據(jù)收集與整理

群井抽水試驗同時啟動K1、K2和K3三口抽水井，同時觀測其它觀測井內(nèi)的水位變化。

K1井出水量平均195 m3/d，K2井出水量平均為192 m3/d，K3井出水量平均為170 m3/d。群井抽水試驗持續(xù)抽水30 h，井的出水能力衰減較小。3口井同時運行后，平均總出水量約為567 m3/d。

觀測井內(nèi)的水位降深監(jiān)測結(jié)果如表2及圖3～5所示。

表2 水位降深觀測數(shù)據(jù)

圖3 坑外觀測井J1水位埋深變化圖

依據(jù)試驗實測數(shù)據(jù)分析，認為坑外觀測井J1和監(jiān)測孔(G1，G2，G5，G6)的水位變化屬自然波動，波動范圍約15 cm，即坑內(nèi)A區(qū)群井抽水時對坑外水位變化基本無影響。

圖4 坑內(nèi)觀測井(J2，J3，K4)水位降深變化圖

圖5 坑外鉆孔(G1，G2，G5，G6)相對水位波動圖

4 數(shù)值模擬分析對比

地下水和土體是由固體、液體、氣體三相體組成的空間三維系統(tǒng)，土體可以模型化為多孔介質(zhì)。因此求解地下水問題就可以簡化為求解地下水在多孔介質(zhì)中流動的問題，根據(jù)與本場地相適應的水文地質(zhì)條件，可建立下列與之相適應的地下水三維非穩(wěn)定滲流數(shù)學模型［3］:

在地下水滲流模型基礎上，以J2、J3和K4的觀測值為依據(jù)建立對應的目標函數(shù)，以kx3、ky3、ss3為變量，通過非線性最小二乘法［4］，取得微承壓含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，如表3所示。

表3 數(shù)值模擬反演結(jié)果

從優(yōu)化反演結(jié)果的標準殘差值可知誤差中值為－0.0423，同時標準殘差的分布滿足標準正態(tài)分布，從而說明理論值與觀測值的誤差區(qū)間范圍是可以接受的。

把反演得到的水文地質(zhì)參數(shù)應用到地下水水流模型中，可以得到抽水試驗中的J2、J3和K4觀測井30 h的實測數(shù)據(jù)曲線與數(shù)值模擬曲線的對比分析圖，如圖6所示。

圖6 坑內(nèi)觀測井實測曲線與模擬曲線對比圖

從圖6看到，實測值和模擬值的相對偏差較小，滿足工程精度要求。因此，可以使用本次數(shù)值模擬的成果預測和分析試驗場地及周圍地區(qū)的承壓水頭分布特征。

5 效果驗證

停止抽水后，對K4、J2和J3觀測井的水位進行了水位跟蹤觀測，水位恢復觀測共進行了1 d，水位恢復曲線如圖7所示。

通過分析得出下述結(jié)論:水位恢復10%大約需要400 min;水位恢復20%大約需要700 min。所以，在該工程現(xiàn)場短時間的停電將不會影響基坑安全;坑內(nèi)降水對坑外水位變化基本無影響，即止水帷幕已隔斷了微承壓含水層，達到了預期的效果，因此在坑外可以忽略降水引起的沉降影響。

圖7 水位恢復比率歷時曲線s－t

6 結(jié)論

依據(jù)上海三至喜來登酒店基坑工程施工實踐及抽水試驗數(shù)據(jù)分析，坑內(nèi)降水對坑外水位變化基本無影響，達到了預期的效果，證明了在深基坑施工中超深三軸攪拌樁止水帷幕對于深層承壓水的隔斷具有良好的效果，可以達到確?；油馏w和周邊環(huán)境安全的目的，因此，在城市建設的過程中推廣和應用該工法具有重要的意義。

［1］何開勝，等.超長水泥土攪拌樁的試驗研究和工程應用［J］.土木工程學報，2000，(2):130 －135

［2］葉觀寶.地基加固新技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1999.

［3］吳林高.工程降水設計施工與基坑滲流理論［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［4］王學萌，張繼忠，王榮.灰色系統(tǒng)分析及實用計算程序［M］.湖北武漢:華中科技大學出版社，2002.

Application of Ultra-deep Cement-soil Mixed Pile in Deep Confined Water Partition Project

ZHAO Shen-zhong，YANG Chun，SONG Gui(Jiangxi Geo-engineering〈Group〉Corporation，Nanchang Jiangxi 330029，China)

With the excavation of foundation，when the earth pressure of foundation reduced to a certain extent，the head pressure of confined water will be greater than float gravity of soil at the bottom of foundation pit associated with piping formation and side gushing and so on，resulting in floating and cracking of soil.Based on deep confined water partition technique，according to the characteristics of the foundation of Shanghai Sanzhi Sheraton Hotel，application effect of ultra-deep cement-soil mixed pile in deep confined water partition project were analyzed and discussed，which could be the reference and guidance for the similar projects in future.

foundation;ultra-deep cement-soil mixed pile;deep confined water;pumping test

TU473.1+4

A

1672－7428(2011)09－0086－04

2011－02－23;

2011－07－16

趙慎中(1953－)，男(漢族)，上海人，江西省地質(zhì)工程(集團)公司高級工程師，物化探工程專業(yè)，從事巖土工程施工工作，上海市徐匯區(qū)龍漕路1弄1號(200235)，zhao53@sina.com。